Sao Thổ và cơn bão hình lục giác ở cực bắc: vì sao lại sáu cạnh

Cơn bão hình lục giác của sao Thổ là một dòng phản lực chạy vòng quanh cực bắc hành tinh ở vĩ độ khoảng 78°, nhưng không tròn mà uốn thành sáu cạnh gần như thẳng, mỗi cạnh dài khoảng 14.500 km — lớn hơn đường kính Trái Đất. Nó được tàu Voyager phát hiện năm 1980–1981 và tàu Cassini theo dõi suốt 2004–2017. Giải thích được nhiều người ủng hộ nhất: hình lục giác là một dạng sóng đứng sinh ra khi dòng phản lực mất ổn định, điều đã được tái tạo trong bể nước quay ở phòng thí nghiệm.

Khí quyển sao Thổ: nhạt màu hơn sao Mộc

Sao Thổ có cấu tạo giống sao Mộc: không có mặt đất rắn, chủ yếu là hydro và heli. Theo bảng NSSDCA, ở tầng khí quyển trên, hydro chiếm khoảng 96% số phân tử, heli khoảng 3%, còn lại là vết mê-tan, amoniac và các khí khác. Tỷ lệ heli ở tầng trên thấp hơn sao Mộc, có lẽ vì heli đã "mưa" xuống phía sâu bên trong hành tinh — một quá trình cũng được dùng để giải thích vì sao sao Thổ toả nhiều nhiệt hơn mô hình dự đoán.

Sao Thổ trông nhạt màu, ít tương phản hơn sao Mộc vì nó lạnh hơn: các lớp mây nằm sâu hơn và bị một lớp mù dày ở trên che bớt. Độ dài ngày của sao Thổ khó đo vì không có bề mặt để làm mốc; con số được tinh chỉnh nhiều lần, gần đây nhất dựa trên dao động trong vành đai do Cassini ghi lại.

Hình lục giác: phát hiện và những đặc điểm

Hình lục giác lần đầu được nhận ra trong ảnh của Voyager 1 và Voyager 2 năm 1980–1981, khi các nhà khoa học ghép ảnh vùng cực bắc. Lúc đó cực bắc sao Thổ đang trong đêm dài nhiều năm, nên phải đợi đến khi Cassini tới và mùa xuân phương bắc bắt đầu (khoảng năm 2009) mới có ảnh rõ nét.

• Kích thước: mỗi cạnh khoảng 14.500 km; cả hình lục giác rộng khoảng 30.000 km.
• Độ bền: tồn tại ít nhất từ 1980 tới khi Cassini kết thúc năm 2017, tức gần bốn mươi năm.
• Chuyển động: bản thân hình dạng gần như đứng yên, quay cùng hành tinh, trong khi gió bên trong dòng phản lực chạy dọc các cạnh với tốc độ khoảng 300 km/h.
• Tâm: ngay tại cực là một xoáy lớn với "mắt" rộng khoảng 2.000 km, mây xung quanh cao hơn tâm, giống mắt bão trên Trái Đất nhưng lớn hơn nhiều lần.
• Đổi màu: Cassini chụp thấy bên trong hình lục giác chuyển từ xanh lam sang vàng kim trong khoảng 2012–2016, có lẽ vì mùa hè đến, tia cực tím Mặt Trời nhiều hơn tạo ra mù quang hoá.

Cassini còn ghi nhận hình lục giác kéo lên rất cao, vào tận tầng bình lưu, khi mùa hè phương bắc tới gần.

Vì sao lại là sáu cạnh

Một dòng khí chạy vòng tròn tưởng như phải tạo ra hình tròn. Nhưng khi tốc độ gió thay đổi mạnh theo vĩ độ — gió nhanh ở giữa dòng, chậm hơn ở hai bên — dòng chảy có thể mất ổn định và uốn lượn thành sóng. Số "khúc lượn" quanh vòng tròn phụ thuộc vào tốc độ, độ rộng dòng và tốc độ quay.

Năm 2010, nhóm của Ana Claudia Barbosa Aguiar tại Đại học Oxford cho chạy nước trong một bể tròn quay, với một vành trong quay khác tốc độ để tạo dòng phản lực. Tuỳ cách chỉnh tốc độ, bề mặt nước hiện ra các hình đa giác: tam giác, tứ giác, ngũ giác, lục giác. Thí nghiệm này cho thấy hình lục giác có thể là hiện tượng thuỷ động lực tự nhiên, không cần gì bí ẩn.

Tuy vậy, còn tranh luận về chi tiết: dòng phản lực bắt rễ sâu đến đâu bên trong hành tinh, và vì sao chính sao Thổ lại "chọn" số sáu ổn định suốt hàng chục năm. Cực nam sao Thổ có một xoáy lớn nhưng không có hình lục giác — lại thêm một câu hỏi.

Những cơn bão trắng lớn

Sao Thổ thường lặng, nhưng cứ khoảng một năm sao Thổ (gần 30 năm Trái Đất) lại bùng lên một cơn bão lớn gọi là Vết Trắng Lớn. Các lần được ghi nhận: 1876, 1903, 1933, 1960, 1990. Lần gần nhất bất ngờ đến sớm, bắt đầu tháng 12/2010, khi Cassini đang ở đó.

Cơn bão 2010–2011 bắt đầu như một chấm sáng nhỏ ở bán cầu bắc, rồi lớn nhanh, kéo dài ra thành một dải mây trắng quấn hết một vòng hành tinh trong vài tháng. Thiết bị vô tuyến của Cassini ghi được hơn mười tia sét mỗi giây ở đỉnh điểm. Các nhà khoa học cho rằng hơi nước tích tụ ở dưới sâu nhiều năm, đến lúc lớp khí phía trên đủ nguội, đối lưu bùng phát dữ dội.

Mùa trên sao Thổ và bóng của vành đai

Trục quay sao Thổ nghiêng khoảng 27°, gần giống Trái Đất (khoảng 23,4°), nên sao Thổ cũng có bốn mùa, chỉ là mỗi mùa kéo dài khoảng bảy năm Trái Đất. Vùng cực bắc từng chìm trong đêm khi Cassini mới tới, rồi bước vào xuân khoảng năm 2009 và hạ chí năm 2017. Nhờ Cassini ở lại đủ lâu, lần đầu tiên các nhà khoa học theo dõi được khí quyển một hành tinh khí qua gần nửa năm của nó.

Vành đai sao Thổ còn tạo thêm một yếu tố mà hành tinh khác không có: bóng của vành phủ lên một dải rộng của bán cầu đang vào đông, làm vùng đó nhận ít nắng hơn nữa. Ảnh Cassini cho thấy bán cầu mùa đông có màu xanh lam nhạt, vì khí ở đó ít mù quang hoá hơn và tán xạ ánh sáng xanh giống bầu trời Trái Đất; khi mùa hè tới, lớp mù dày lên và màu chuyển sang vàng.

Gió xích đạo và tầng trên khí quyển

Ở vùng xích đạo, gió sao Thổ thổi về phía đông nhanh tới khoảng 1.800 km/h (khoảng 500 m/s), thuộc loại nhanh nhất hệ Mặt Trời, chỉ sau sao Hải Vương. Ở tầng bình lưu xích đạo, nhiệt độ còn lên xuống theo chu kỳ khoảng 15 năm, gọi là dao động bán năm sao Thổ, giống một hiện tượng tương tự ở tầng bình lưu Trái Đất.

Những tháng cuối của Cassini năm 2017, tàu bay vào khe giữa hành tinh và vành đai, đo thấy vật chất từ vành (bụi, băng, phân tử hữu cơ) rơi vào tầng thượng khí quyển nhiều hơn dự đoán. Ngày 15/9/2017, Cassini lao vào khí quyển sao Thổ và gửi dữ liệu thành phần khí tới phút cuối.

Góc nhìn hôm nay

Khí quyển sao Thổ là ví dụ đẹp cho một nguyên lý chung: cùng định luật vật lý, chỉ cần đổi tốc độ quay, nhiệt độ và kích thước, ta có những hình thái rất khác. Thí nghiệm bể nước của Oxford có thể được tái tạo ở các phòng thí nghiệm vật lý đại học, và nhiều video thí nghiệm đã được công bố trực tuyến.

• Ngắm sao Thổ: mắt thường thấy như một sao vàng nhạt. Kính thiên văn nhỏ thấy rõ vành; muốn thấy dải mây cần kính lớn hơn. Hình lục giác chỉ thấy được qua ảnh tàu vũ trụ hoặc kính rất lớn.
• Xem ảnh: kho ảnh Cassini của NASA/JPL có loạt ảnh vùng cực bắc qua các năm, cho thấy rõ sự đổi màu.
• Đọc thêm: trang Saturn Fact Sheet của NSSDCA cho số liệu gốc.